KR102666539B1 - 자외선 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 제1 및 제2 도전형 AlGaN 반도체층과 상기 제1 및 제2 도전형 AlGaN 반도체층 사이에 배치되며 AlGaN 반도체를 갖는 활성층을 포함하는 반도체 적층체와, 상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 이르며 제1 폭을 갖는 적어도 하나의 제1 트렌치와, 상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 및 상기 활성층을 지나 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 이르며 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 적어도 하나의 제2 트렌치와, 적어도 상기 활성층보다 높은 레벨로 상기 제1 트렌치를 충전하며 소정의 굴절률을 갖는 절연 물질로 형성된 충전 절연부와, 상기 적어도 하나의 제2 트렌치를 통해서 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 접속된 제1 콘택 전극과, 상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 상에 배치된 제2 콘택 전극을 포함하는 자외선 반도체 발광소자를 제공한다.

Description

자외선 반도체 발광소자{ULTRAVIOLET SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 자외선 반도체 발광소자에 관한 것이다.
최근에 자외선 광원은 살균 및 소독장치, UV 경화장치 등 다양한 용도로 활용되고 있다. 자외선 광원으로서는, 친환경적이면서 고효율인 반도체 발광다이오드(LED)가 각광을 받고 있다. 예를 들어, 질화물 반도체 발광다이오드가 사용되고 있다.
하지만, 자외선 질화물 반도체 LED의 경우에는, 결정 결함으로 인한 오제(Auger) 재결합과 낮은 캐리어 농도(특히, 홀)로 인해 외부 양자 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 굴절률이 높은 반도체로 구성되므로 광추출효율이 매우 낮다는 문제가 있다. 예를 들어, 자외선 대역 중 단파장영역(예, UV-B 및 UV-C)을 위한 질화물 반도체 LED의 경우에는 극히 낮은 광추출효율(예, 2∼3%)을 가지므로 상용화가 곤란한 문제가 있다. 이러한 낮은 효율은 AlxGa1 - xN 양자우물에서 발생하는 빛이 통상의 InxGa1 - xN 양자우물에서 발생하는 빛에 비하여 수직 방향보다는 횡방향으로 더 많기 때문이고, 횡방향의 광은 다시 활성층과 같은 반도체 적층체에 흡수될 확률이 높기 때문이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 횡방향의 광에 대한 추출효율을 향상시킴으로써 전방위에 걸쳐 실질적인 광효율이 향상된 자외선 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 및 제2 도전형 AlGaN 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 AlGaN 반도체층 사이에 배치되며 AlGaN 반도체를 갖는 활성층을 포함하는 반도체 적층체와, 상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 이르는 적어도 하나의 트렌치와, 적어도 상기 활성층보다 높은 레벨로 상기 트렌치를 충전하며, 상기 활성층의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 절연 물질로 형성된 충전 절연부와, 상기 제1 및 제2 도전형 AlGaN 반도체층에 각각 접속된 제1 및 제2 전극을 포함하며, 상기 활성층의 굴절률과 상기 절연 물질의 굴절률을 각각 n1 및 n2라고 할 때에, 상기 적어도 하나의 트렌치의 측벽 경사각(θ0), 상기 트렌치의 측벽에 대한 수평방향 입사각(θ1) 및 상기 수평방향에 대한 굴절각(θ2)이 아래 식(1) 내지 식(3)을 만족하는 자외선 반도체 발광소자를 제공한다.
θ0 = 90°- θ1.....(1)
n1×sin(θ1) = n2×sin(θ2).....(2)
θ2 ≥ 9°+ θ1 ....... (3)
본 발명의 일 실시예는, 제1 및 제2 도전형 AlGaN 반도체층과 상기 제1 및 제2 도전형 AlGaN 반도체층 사이에 배치되며 AlGaN 반도체를 갖는 활성층을 포함하는 반도체 적층체와, 상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 이르며 제1 폭을 갖는 적어도 하나의 제1 트렌치와, 상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 및 상기 활성층을 지나 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 이르며 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 적어도 하나의 제2 트렌치와, 적어도 상기 활성층보다 높은 레벨로 상기 제1 트렌치를 충전하며 소정의 굴절률을 갖는 절연 물질로 형성된 충전 절연부와, 상기 적어도 하나의 제2 트렌치를 통해서 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 접속된 제1 콘택 전극과, 상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 상에 배치된 제2 콘택 전극을 포함하는 자외선 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, Alx1Ga1 -x1N (0<x1<1) 반도체를 갖는 제1 도전형 반도체층과, Alx2Ga1 -x2N (0<x2<1)반도체를 갖는 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되며 Alx3Ga1 -x3N (0<x3<x1 및 0<x3<x2)반도체를 갖는 활성층를 갖는 반도체 적층체와, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층에 이르며 제1 폭을 갖는 복수의 제1 트렌치와, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층에 이르며 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 복수의 제2 트렌치와, 상기 적어도 하나의 제1 트렌치를 충전하며 상기 복수의 제2 트렌치의 내부 측벽과 상기 제2 도전형 반도체층 상면에 배치된 절연층과, 상기 복수의 제2 트렌치를 통해서 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 접속된 제1 전극과, 상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 상에 배치된 제2 전극을 포함하는 자외선 반도체 발광소자를 제공한다.
자외선 반도체 발광소자에 트렌치를 형성하고 활성층과 굴절률 차이를 갖는 절연물질을 충전함으로써 상부 방향으로의 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 광추출용 트렌치는 간단한 구조로 제공되므로, 활성층의 면적 감소를 최소화하면서 광효율을 향상시킬 수 있으며, 특히 전극 형성을 위한 트렌치와 함께 형성될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 상부 평면도이다.
도2는 도1에 도시된 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 상부 평면도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 상부 평면도이다.
도5는 도4에 도시된 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도6은 도5에 도시된 자외선 반도체 발광소자의 일부(A 부분)를 나타내는 확대도이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자의 부분 확대도이다.
도8 내지 도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 상부 평면도이며, 도2는 도1에 도시된 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도1 및 도2를 참조하면, 본 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자(20)는 기판(10)과 상기 기판(10) 상에 배치되며 자외선 광의 방출을 위한 반도체 적층체(S)를 포함한다. 상기 반도체 적층체(S)는 제1 및 제2 도전형 반도체층(22,26)과, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(22,26) 사이에 배치된 활성층(24)을 포함한다.
상기 기판(10)은 절연성, 도전성 또는 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(10)은 사파이어, AlN, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2일 수 있다. 본 실시예에 채용된 반도체 적층체(S)는 기판(10) 상에 형성되며 제1 도전형 AlGaN 반도체층(22)을 성장하기 위한 베이스층(21)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스층(21)은 AlN 또는 AlGaN과 같은 질화물로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(22)은 Alx1Ga1 -x1N (0<x1≤1)로 표시되는 n형 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 Si일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(22)은 n형 AlGaN을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(26)은 Alx2Ga1-x2N (0<x2≤1)로 표시되는 p형 질화물 반도체일 수 있으며, p형 불순물은 Mg일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(26)은 p형 AlGaN을 포함할 수 있다.
일 예에서, 상기 제1 도전형 반도체층(22)의 Al 조성비(x1)는 0.55∼0.70 범위일 수 있으며, 나아가 0.60∼0.65 범위일 수 있다. 이와 유사하게, 상기 제2 도전형 반도체층(26)의 Al 조성비(x2)는 0.55∼0.70 범위일 수 있으며, 나아가 0.60∼0.65 범위일 수 있다.
본 실시예에 채용된 활성층(24)은 Alx3Ga1 -x3N(0<x3<1)로 이루어진 양자우물을 가질 수 있다. 상기 활성층(24)은 하나의 양자우물을 갖는 단일양자우물구조(single-quantum well, SQW)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 활성층(24)은, AlxaGa1 -xaN(0<xa<1)로 이루어진 복수의 양자우물층과 AlxbGa1 -xbN(xa<xb<1)로 이루어진 복수의 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조(muti-quantum well, MQW)일 수 있다.
활성층(24)의 양자우물은 자외선 광의 파장을 결정하는 밴드갭을 가지며, 본 실시예에 채용된 활성층(24)은 210∼315㎚의 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(22,26)은 활성층(24)으로부터 생성된 자외선 광이 흡수되지 않도록 양자우물의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는다. 예를 들어, 양자우물의 Al 조성비(x3 또는 xa)는 제1 및 제2 도전형 반도체층(22,26)의 Al 조성비(x1,x2)보다 작을 수 있다. 일 예에서, 양자우물의 Al 조성비(x3 또는 xa)은 0.35∼0.5 범위일 수 있다.
본 실시예에 채용된 반도체 적층체(S)는 제2 도전형 반도체층(26)과 활성층(24) 사이에 배치된 전자차단층(25)(electron blocking layer, EBL)을 더 포함할 수 있다. 전자차단층(25)은 제2 도전형 반도체층(26)보다 높은 밴드갭을 가지며 Alx4Ga1-x4N(x2<x4≤1)로 표시되는 p형 질화물 반도체일. 예를 들어, 상기 전자차단층(25)의 Al 조성비(X4)는 0.8 이상일 수 있다.
본 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자(20)는 상기 제2 도전형 반도체층(26) 및 상기 활성층(24)을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층(22)에 이르는 복수의 트렌치(T)를 포함한다. 상기 트렌치(T) 내부에는 상기 활성층(24) (특히, 양자우물)의 굴절률(n1)보다 낮은 굴절률(n2)을 갖는 절연 물질로 충전 절연부(27)가 형성될 수 있다.
상기 충전 절연부(27)는 상대적으로 낮은 굴절률을 가지므로, 평면방향(TM)으로 진행되는 광의 경로를 변경시켜 그 광의 추출될 확률을 높일 수 있다. 따라서, 활성층(24)의 내부에서 소실되는 광을 감소시키므로, 상대적으로 약한 수직방향(TE)으로의 광을 보강할 수 있으며 전체적으로 광효율을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에서, 상기 충전 절연부(27)는 트렌치(T)를 거의 대부분 충전된 형태로 예시되어 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 상기 충전 절연부(27)가 적어도 상기 활성층(24)보다 높은 레벨의 상면을 갖는다면 활성층(24)으로부터 횡방향(TM)으로 진행되는 광의 경로에 영향을 줄 수 있으므로, 본 실시예에 따른 광추출효율의 개선효과를 기대할 수 있다.
횡방향(TM)으로 진행되는 광은 효과적인 광추출을 위해서 제1 도전형 반도체층(22)의 방향으로 9°이상의 경로가 변경될 수 있으며, 이러한 변경은 충전 절연부(27)를 구성하는 절연 물질의 굴절률과 트렌치의 측벽 경사각(θ0)에 의해 얻어질 수 있다.
상기 활성층의 굴절률과 상기 절연 물질의 굴절률을 각각 n1 및 n2라고 할 때에, 상기 적어도 하나의 트렌치의 측벽 경사각(θ0), 상기 트렌치의 측벽에 대한 수평방향 입사각(θ1) 및 상기 수평방향에 대한 굴절각(θ2)이 아래 식(1) 내지 식(3)을 만족하는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
θ0 = 90°- θ1.....(1)
n1×sin(θ1) = n2×sin(θ2).....(2)
θ2 ≥ 9°+ θ1 ....... (3)
예를 들어, 활성층(24) 또는 양자우물의 굴절률(n1)이 2.4일 경우에, 트렌치(T)를 충전하는 절연물질의 굴절률(n2)이 1.5라면 트렌치(T)의 측벽 경사각(θ0)은 약 75°보다 작도록 설계될 수 있다. 반면에, 트렌치(T)의 측벽 경사각(θ0)이 60°로 설계할 때에는, 트렌치(T)를 충전하는 절연물질의 굴절률(n2)은 1.91 보다 작을 수 있다.
절연물질의 굴절률 조건을 고려할 때에, 트렌치(T)의 측벽 경사각(θ0)은 80°이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 절연 물질은 SiO2, SiN, TiO2, HfO 및 MgF2로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자(20)는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(22,26)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(28,29)을 포함한다.
도2에 도시된 바와 같이, 상기 제2 전극(29)은 제2 도전형 반도체층(26) 상에 배치된 오믹콘택층(29a)과 상기 오믹콘택층(29a)의 일 영역에 배치된 본딩 전극(29b)을 포함할 수 있다. 상기 반도체 적층체(S)는 상기 제2 도전형 반도체층(26)과 상기 활성층(24)이 부분적으로 제거되어 상기 제1 도전형 반도체층(24)의 일 영역을 노출하는 메사 에칭 영역(M)을 갖는다. 상기 제1 전극(28)은 상기 제1 도전형 반도체층(22)의 일 영역 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(28)은 n 전극 구조로 제공될 수 있으며, Al, Ti, Ni, Cr, Au, Ag 또는 ITO로 형성되거나 그 조합으로 구성된 다층구조일 수 있다.
제1 전극(28)을 위한 메사 에칭 영역(M)과, 충전 절연부(27)를 위한 트렌치(T)는 동일한 공정에서 형성될 수 있다. 따라서, 메사 에칭 영역(M)의 레벨은 트렌치(T)의 바닥면의 레벨과 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 메사 에칭 영역(M) 주위의 측벽 경사각(θ0')도 트렌치(T)의 측벽 경사각(θ)과 실질적으로 동일할 수 있다. 다만 전기적 흐름을 원할하게 하기 위하여 트렌치(T)의 바닥면의 레벨을 메사 에칭 영역(M)보다 얕게 가져갈 수 도 있고, 광학적인 추출향상을 위하여 메사 에칭 영역 주위의 측벽 경사각(θ0')이 본 특허에서 요구하는 경사각도와 다를 경우 각도를 다르게 가져갈 수도 있다.
상술한 바와 같이, 상기 충전 절연부(27)는 본 실시예에서 광경로 변경 구조로 채용되며, 자외선 반도체 발광소자(20)의 평면에서 볼 때에 도1에 도시된 바와 같이 도트 형상을 가지며, 반도체 적층체(S) 상에 일정한 간격으로 배열될 수 있다. 상기 충전 절연부(27)를 위한 트렌치(T)는 전극과 같은 다른 요소를 포함하지 않으며 저굴절률을 갖는 절연물질만 충전하는 공간만 제공하면 충분하므로, 트렌치(T) 형성과정에서의 활성층(24)의 제거면적을 최소화할 수 있다. 따라서, 도1에 도시된 바와 같이, 상기 충전 절연부(27)는 복수개로 배열될 수 있다.
본 실시예와 같이, 상기 충전 절연부(27)는 전체 발광 영역에서 광추출 개선을 위해서 복수개로 배열될 수 있으나, 하나의 충전 절연부를 채용할 수도 있다. 또한, 상기 충전 절연부(27)는 도1에 도시된 형상 및 배열과 다른 다양한 형상 및/또는 다양한 배열로 변경되어 실시될 수 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 상부 평면도이다. 도3에 도시된 자외선 반도체 발광소자(20')는 도1에 도시된 자외선 반도체 발광소자의 단면과 유사한 구조를 갖는 것으로 이해할 수 있다.
도3을 참조하면, 상기 충전 절연부(27')는 도3에 도시된 바와 같이, 자외선 반도체 발광소자(20')의 평면에서 볼 때에 라인 형상을 가질 수 있다. 각각의 트렌치(TA,TB)는 발광 영역 복수개로 분할되도록 구성되며, 가로 방향의 트렌치(TA)와 세로 방향 트렌치(TB)로 서로 교차하도록 구성되어 반도체 적층체(도2의 "S") 내부에서 전체 발광 영역에 걸쳐 격벽 형태의 효과적인 광경로 변경 구조를 제공할 수 있다.
본 실시예에 채용된 충전 절연부는 전극 형성을 위한 비아 구조와 함께 제공될 수 있다. 도4 및 도5에 도시된 자외선 반도체 발광소자는 전극을 위한 비아 구조를 채용하는 구조를 갖는다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 상부 평면도이며, 도5는 도4에 도시된 자외선 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도4 및 도5를 참조하면, 자외선 반도체 발광소자(100)는 기판(10)과 상기 기판(10) 상에 배치된 반도체 적층체(S)를 포함한다. 상기 반도체 적층체(S)는 베이스층(21)과 함께, 제1 도전형 반도체층(22), 활성층(24) 및 제2 도전형 반도체층(26)을 포함할 수 있으며, 도1 및 도2의 자외선 반도체 발광소자(20)의 각 대응 구성요소의 설명을 참조하여 이해할 수 있다.
상기 반도체 적층체(S)는 복수의 제1 트렌치(T1)와 복수의 제2 트렌치(T2)를 갖는다. 상기 복수의 제1 및 제2 트렌치(T1,T2)는 각각 상기 제2 도전형 반도체층(26) 및 상기 활성층(24)을 지나 상기 제1 도전형 반도체층(22)에 이르도록 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 복수의 제1 트렌치(T1)는 광경로를 변경하는 충전 절연부(47)를 형성하기 위한 구조로 제공되며, 상기 복수의 제2 트렌치(T2)는 제1 전극(50)을 형성하기 위한 구조로 제공될 수 있다. 구체적으로, 복수의 제1 트렌치(T1)는 광경로 변경을 위해서 저굴절률 절연물질만을 충전하는 공간을 제공하기 위한 구조인데 반하여, 복수의 제2 트렌치(T2)는 제1 도전형 반도체층(22)과 연결되는 전극(50)과 상기 전극(50)과 반도체 적층체(S)를 전기적으로 분리하기 위한 절연층(40)이 형성되는 공간이 요구된다.
따라서, 복수의 제1 트렌치(T1)는 제1 폭(w1)을 가지며, 복수의 제2 트렌치(T2)는 상기 제1 폭(w1)보다 큰 제2 폭(w2)을 갖는다. 예를 들어, 상단 폭 기준으로 볼 때에, 제1 폭(w1)은 8㎛ 이하일 수 있으며, 제2 폭(w2)은 8㎛∼50㎛ 범위일 수 있다.
도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 제2 트렌치(T2)의 단면은 역사다리꼴 형상을 가지며, 상기 복수의 제1 트렌치(T1)의 단면은 하단폭이 제2 트렌치(T2)의 하단폭보다 작은 역사다리꼴이거나 V자 형상을 가질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 트렌치(T1) 내부에는 상기 활성층(24) (특히, 양자우물)의 굴절률(n1)보다 낮은 굴절률(n2)을 갖는 절연 물질로 충전 절연부(47)가 형성될 수 있다. 상기 충전 절연부(47)는 상대적으로 낮은 굴절률을 가지므로, 평면방향으로 진행되는 광의 경로를 변경시켜 그 광의 추출될 확률을 높일 수 있다.
상기 충전 절연부(47)가 적어도 상기 활성층(24)보다 높은 레벨을 갖도록 상기 제1 트렌치(T1)를 거의 충전시킬 수 있다. 절연물질의 굴절률 조건을 고려할 때에, 제1 트렌치(T1)의 측벽 경사각은 80°이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 절연 물질은 SiO2, SiN, TiO2, HfO 및 MgF2로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 제1 트렌치(T1)는 제2 트렌치(T2)와 함께 형성될 수 있다. 복수의 제1 및 제2 트렌치(T1,T2)는 실질적으로 동일한 깊이로 형성될 수 있다. 이와 유사하게, 복수의 제1 및 제2 트렌치(T1,T2)는 실질적으로 동일한 측벽 경사각을 가질 수 있다.
본 실시예에 채용된 제2 트렌치(T2)는 상기 제1 도전형 반도체층(22)의 콘택 영역(22C)을 제공한다. 상기 제2 트렌치(T2)는 상기 제1 도전형 반도체층(22)의 콘택 영역(22C)이 노출되도록 상기 제2 도전형 반도체층(26)과 상기 활성층(24)을 부분적으로 제거함으로써 형성될 수 있다.
제2 트렌치(T2)는 도4에 도시된 바와 같이, 복수의 원형 영역을 연결하는 복수의 라인 형상을 포함한다. 상기 제2 트렌치(T2)은 이에 한정되지 아니하며, 라인형, 원형 및 다각형 중에 선택된 어느 하나의 형상 또는 다른 조합과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다.
상기 자외선 반도체 발광소자(100)는 상기 반도체 적층체(S)의 표면에 배치된 절연부(40)를 포함한다. 상기 절연부(40)는 반도체 적층체(S)를 보호하기 위한 페시베이션층으로 제공될 수 있다. 상기 절연부(40)는 상기 절연부(40)는 제1 절연층(41)과 상기 제1 절연층(41) 상에 배치된 제2 절연층(42)을 포함한다. 상기 제1 절연층(41)은 상기 제1 도전형 반도체층(22)의 콘택 영역(22C)과 상기 제2 도전형 반도체층(26)의 콘택 영역(26C)을 제외한 반도체 적층체(S) 표면에 형성된다. 즉, 상기 제1 절연층(41)은 상기 복수의 제2 트렌치(T2)의 내부 측벽과 상기 제2 도전형 반도체층(26)의 상면 일부에 배치될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(22)의 콘택 영역(22C)과 상기 제2 도전형 반도체층(26)의 콘택 영역(26C)에는 각각 제1 및 제2 콘택 전극(51,61)이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 콘택 전극(51,61)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(22,26)과 오믹 콘택(ohmic-contact)되는 전극물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 콘택 전극(51)은 Ti/Al/Ni/Au을 포함할 수 있으며, 상기 제2 콘택 전극(61)은 Ag 또는 Ni/Au을 포함할 수 있다.
상기 제2 절연층(42)은 상기 제1 콘택 전극(51)의 일부 영역에 개방하는 복수의 제1 개구(O1)와 상기 제2 콘택 전극(61)의 일부 영역을 개방하는 복수의 제2 개구(O2)를 가질 수 있다.
도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 상기 제2 절연층(42) 상에는 제1 및 제2 본딩 메탈(59,69)이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 본딩 메탈(59,69)은 각각 마주하는 양 모서리에 인접하도록 위치할 수 있다. 상기 제1 본딩 메탈(59)은 상기 제1 개구(O1)를 통해서 제1 콘택 전극(51)에 연결되며, 상기 제2 본딩 메탈(69)은 상기 제2 개구(02)를 통해서 제2 콘택 전극(61)에 연결될 수 있다(도5 참조).
이와 같이, 본 실시예에서, 상기 제1 전극(50)은 제1 콘택 전극(51)과 제1 본딩 메탈(59)을 포함할 수 있으며, 이와 유사하게 상기 제2 전극(60)은 제2 콘택 전극(61)과 제2 본딩 메탈(69)을 포함할 수 있다. 플립칩 구조에서는, 상기 제1 및 제2 콘택 전극(51,61)은 반사성 전극으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 채용된 충전 절연부(47)는 별도의 공정에 의해 충전되는 형태로 예시되어 있으나, 다른 절연층(예, 제1 절연층)의 형성시에 제1 트렌치가 충전되도록 구성할 수 있다. 도7에는 충전 절연부(47')가 제1 절연층(41)에 의해 충전되는 형태가 예시되어 있다.
도7을 참조하면, 제1 트렌치(T1)를 충전하는 절연물질은 제2 트렌치(T2)의 내부 측벽에 제공되는 제1 절연층(41)의 일부일 수 있다. 구체적으로 본 실시예에 채용된 충전 절연부(47')는 상기 제1 절연층(41)과 동일한 공정에 의해 형성되는 동일한 절연 물질일 수 있다. 상기 제1 절연층(41)은 비교적 큰 폭을 갖는 제2 트렌치(T2)에서는 내부 측벽을 따라 형성되나, 상대적으로 작은 폭을 갖는 제1 트렌치(T1)에서는 동일한 두께로 증착되더라도 도7에 도시된 바와 같이 제1 트렌치(T1)의 내부 공간을 거의 충전하는 형태로 형성될 수 있다. 도7에 도시된 영역은 도12에 도시된 자외선 반도체 발광소자(100A)의 B영역에 해당하는 것으로 이해할 수 있다.
도8 내지 도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다. 본 실시예에 따른 제조방법은 도7에 도시된 충전 절연부를 갖는 반도체 발광소자의 제조방법으로 이해할 수 있다.
도8을 참조하면, 기판(10) 상에 베이스층(21), 제1 도전형 반도체층(22), 활성층(24) 및 제2 도전형 반도체층(26)이 차례로 적층하여, 자외선 발광을 위한 반도체 적층체(S)를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 기판(10)은 상술된 바와 같이, 사파이어 또는 AlN로 이루어질 수 있다. 상기 베이스층(21), 제1 도전형 반도체층(22), 활성층(24), 및 제2 도전형 반도체층(26)은, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 공정을 이용하여 성장될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(22)은 Alx1Ga1 -x1N (0<x1≤1)로 표시되는 n형 질화물 반도체일 수 있으며, 예를 들어,n형 AlGaN을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(26)은 Alx2Ga1 -x2N (0<x2≤1)로 표시되는 p형 질화물 반도체일 수 있으며, 예를 들어, p형 AlGaN을 포함할 수 있다. 본 실시예에 채용된 활성층(24)은 Alx3Ga1 -x3N(0<x3<1)로 이루어진 양자우물을 가질 수 있다. 상기 활성층(24)은 다중양자우물구조(muti-quantum well, MQW)일 수 있다.
이어, 도9를 참조하면, 충전 절연부(도7의 47')를 형성하기 위한 제1 트렌치(T1)와 제1 도전형 반도체층(22)의 콘택 영역(22C)이 노출시키는 제2 트렌치(T2)를 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 트렌치(T1,T2)는 상기 제2 도전형 반도체층(26)과 상기 활성층(24)을 부분적으로 제거하여 얻어질 수 있다. 상기 제1 트렌치(T1)의 폭(w1)은 상기 제2 트렌치(T2)의 폭(w2)보다 작게 설계할 수 있다. 상기 제1 트렌치(T1)는 효과적으로 광경로를 변경하기 위해서 80°이하일 수 있다.
상기 제1 및 제2 트렌치(T1,T2)는 동일한 에칭 공정에 의해 형성되므로 측벽 경사각(θ1≒θ2) 및 깊이(d1≒d2)가 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 상기 제1 트렌치(T1)의 단면은 V자 형상을 가지며, 상기 제2 트렌치(T2)의 단면은 역사다리꼴일 수 있다. 상기 제1 트렌치(T1)는 도4에 도시된 바와 같이, 라인 형상으로 다수 형성되더라도 그 폭(w1)이 작으므로 그로 인한 활성층의 제거면적이 매우 작을 수 있다.
본 공정에서, 도4에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)의 에지를 따라 상기 반도체 적층체(S)를 제2 도전형 반도체층(26)으로부터 부분적으로 제거할 수 있다. 본 공정은 RIE(reactive ion etching) 공정에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 도10을 참조하면, 상기 반도체 적층체(S) 상면에 제2 콘택 전극(61)이 형성될 영역을 둘러싸는 제1 절연층(41)을 형성하고, 제1 및 제2 도전형 반도체층(22,26)의 콘택영역(22C,26C)이 노출되도록 상기 제1 절연층(41)을 제거할 수 있다. 이어, 콘택영역(22C,26C)에 각각 제1 및 제2 콘택 전극(51)을 증착할 수 있다.
상기 제1 절연층(41)은 SiO2, SiN, TiO2, HfO 및 MgF2로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 절연물질일 수 있으며, 폭이 큰 제2 트렌치(T2)에서는 내부 측벽을 따라 형성되는 반면에, 폭이 좁은 제1 트렌치(T1)에는 거의 충전되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 트렌치(T1)에 형성된 제1 절연층(41) 부분은 충전 절연부(47')로 제공될 수 있다. 충전 절연부(47')를 제공하는 제1 절연층(41)은 활성층(24)보다 작은 굴절률을 가지며, 제1 트렌치(T1)의 경사진 측벽과 함께 횡방향으로 진행되는 자외선 광을 경로를 변경하는 광학 구조체로서 작용할 수 있으며, 이를 통해서 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 절연층(41)은 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링와 같은 증착 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 콘택 전극(51, 61)은 Ag, Al, Ni, Cr, Pd, Cu, Pt, Sn, W, Au, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn, 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 단일층, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 다중층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 콘택 전극(51)은 Ti/Al/Ni/Au을 포함할 수 있으며, 상기 제2 콘택 전극(61)은 Ag 또는 Ni/Au을 포함할 수 있다.
이어, 도11을 참조하면, 상기 제1 절연층(41) 상에 제1 및 제2 콘택 전극(51,61)을 덮도록 제2 절연층(42)을 형성하고, 상기 제2 절연층(42)에 제1 및 제2 콘택 전극(51,52)의 일부를 각각 개방하는 제1 및 제2 개구(O1,O2)를 형성한다.
상기 제2 절연층(42)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 절연성 폴리머 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 상기 제1 절연층(41)과 동일한 절연물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 절연층(42)은 상기 제1 절연층(41)과 유사하게 PECVD, 스퍼터링와 같은 증착 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 제2 절연층(42)은 제1 절연층(41)과 함께 소자를 보호하는 페시베이션을 제공한다. 본 실시예에서, 제2 절연층(42)에 형성되는 제1 및 제2 개구(O1,O2)는 후속 공정에서 형성될 본딩 전극과 접속될 영역을 정의한다.
다음으로, 도12를 참조하면, 상기 제1 및 제2 개구(O1,O2)를 통해서 제1 및 제2 콘택 전극(51,61)에 연결된 제1 및 제2 본딩 패드를 형성한다.
이와 같이, 제1 본딩 메탈(59) 및 제2 본딩 메탈(69)을 제1 콘택 전극(51) 및 제2 콘택 전극(61)에 각각 접속되도록 형성함으로써 도4에 도시된 본딩패드 배열을 완성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 본딩 메탈(59,69)은 Au, Sn 또는 Au/Sn을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 본딩 메탈(59,69)은 동일 금속으로 함께 형성될 수 있다.
이와 같이, 자외선 반도체 발광소자에 전극형성을 위한 트렌치(즉, 제2 트렌치) 외에, 상대적으로 좁은 폭의 트렌치를 형성하고 활성층과 굴절률 차이를 갖는 절연물질을 충전한 충전 절연부를 제공함으로써 상부 방향으로의 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 본 실시예에 따른 트렌치 및 충전 절연부는 추가적인 공정 없이 형성될 수 있으며, 활성층의 면적 감소를 최소화하면서도 광효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 제1 및 제2 도전형 AlGaN 반도체층과 상기 제1 및 제2 도전형 AlGaN 반도체층 사이에 배치되며 AlGaN 반도체를 갖는 활성층을 포함하는 반도체 적층체;
    상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 이르며 제1 폭을 갖는 적어도 하나의 제1 트렌치;
    상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 및 상기 활성층을 지나 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 이르며 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 적어도 하나의 제2 트렌치;
    상기 적어도 하나의 제2 트렌치의 내부 측벽과 상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층의 상면 일부에 배치된 제1 절연층;
    적어도 상기 활성층보다 높은 레벨로 상기 제1 트렌치를 충전하며 소정의 굴절률을 갖는 절연 물질로 형성된 충전 절연부;
    상기 적어도 하나의 제2 트렌치를 통해서 상기 제1 도전형 AlGaN 반도체층에 접속된 제1 콘택 전극; 및
    상기 제2 도전형 AlGaN 반도체층 상에 배치된 제2 콘택 전극을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제1 트렌치는 80°이하로 경사진 측벽을 가지며,
    상기 충전 절연부는 상기 제1 절연층과 동일한 물질이며, 상기 제1 절연층 중 상기 적어도 하나의 제1 트렌치 내부에 위치한 부분에 의해 제공되고,
    상기 적어도 하나의 제1 및 제2 트렌치는 동일한 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 절연층 상에 배치되며, 상기 제1 콘택 전극의 일부 영역에 개방하는 적어도 하나의 제1 개구와 상기 제2 콘택 전극의 일부 영역을 개방하는 적어도 하나의 제2 개구를 갖는 제2 절연층을 더 포함하며,
    상기 제1 및 제2 본딩 메탈은 상기 제2 절연층 상에 배치되며, 각각 상기 제1 및 제2 개구를 통해서 상기 제1 및 제2 콘택 전극의 일부 영역에 연결되는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 및 제2 트렌치는 동일한 측벽 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  8. 삭제
  9. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 트렌치의 단면은 V자 형상을 가지며,
    상기 적어도 하나의 제2 트렌치의 단면은 역사다리꼴 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  10. 삭제
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